分布式光纤传感技术在智慧粮仓安全监测中的应用研究

摘要：粮食储备是保障国家民生安全的重要基石，粮仓在储粮过程中，粮堆内部易出现积热霉变，仓房墙体、地坪会发生沉降开裂等结构病害。传统点式测温电缆采用离散电子测点，存在监测盲区、现场器件易腐蚀虫蚀、不能监测仓体结构形变等问题。本文采用DTS分布式温度传感结合布里渊分布式应变传感一体化方案，构建粮仓光纤安全监测系统。利用无源特种铠装复合光缆，埋置于粮堆内部实现全域温度连续采集，敷设在仓房结构体实现墙体、地坪应变监测。文章阐述系统工作原理、现场布设方案、核心功能算法，分析工程应用效果。结果表明，分布式光纤传感可以实现7×24小时不间断监测，提前识别粮堆局部积热热点、仓房微形变隐患，降低粮食霉变损耗，对智慧粮库建设具备重要工程应用价值。

关键词：分布式光纤传感；DTS；布里渊散射；智慧粮仓；粮堆温度监测；仓房结构健康监测；储粮安全

1 引言

粮食储备属于国家战略基础设施，国内大量中央直属储备库、地方储备粮库承担大宗粮食储存任务。粮食储藏期间，受温湿度、微生物影响，粮堆局部容易积蓄热量，如果不能及时发现，会造成粮食发热霉变，带来直接经济损失；与此同时，仓房建筑长期承受粮食荷载、温缩形变，墙体、地坪容易产生裂缝、不均匀沉降，严重威胁仓房本体安全。

现阶段国内多数粮仓主要依靠传统点式测温电缆开展粮温监测。该方案传感器为电子器件，埋设在粮堆内部，容易受潮、虫蚀老化，需要频繁检修更换；测点离散布置，测点中间存在监测盲区，小范围的早期积热很难被发现；传统测温电缆只能够采集温度，无法监测仓房墙体、地坪的结构形变隐患。大量仓房结构病害，只能依靠人工定期肉眼巡检，发现滞后。

分布式光纤传感技术，光缆本身作为感知单元，现场无需有源电子器件，具备耐腐蚀、抗虫咬、本质防爆安全优势。DTS分布式光纤测温可以获取沿线连续温度场；布里渊光纤传感可以获取沿线应变形变信息。将二者结合应用于粮仓，一套系统同时完成粮堆温度监测与仓房建筑结构健康监测，为智慧粮仓提供新型技术手段。

2 分布式光纤传感基本原理

2.1 DTS分布式光纤测温原理

基于拉曼散射光学效应，激光脉冲送入传感光缆，产生斯托克斯光与反斯托克斯光；反斯托克斯光强度对温度敏感，通过两组光信号比值解算光缆沿线每一点温度，实现全线分布式温度测量，设置温度阈值、温升速率双重判据识别粮堆积热热点。

2.2 布里渊分布式应变传感原理

激光在光纤中产生布里渊散射，光纤发生拉伸、压缩形变时，布里渊频移会随之改变；通过解调布里渊频移变化，解算出光缆沿线应变数值，以此监测仓房墙体、地坪的形变、微裂缝、不均匀沉降。

2.3 一体化系统架构

一体化解调主机兼容DTS测温与布里渊应变解调。现场布设粮库专用铠装复合光缆，一部分垂直埋入粮堆，一部分固定于仓房墙体与地坪；光信号传回机房主机完成解调。数据一路本地监控软件存储展示；一路远传至智慧粮库平台；报警信号输出继电器、网络协议，可实现声光、短信联动报警。

3 粮仓现场光缆布设方案

3.1 粮堆内部光缆布设

参照粮仓测温点布置规范，将抗虫蚀铠装复合光缆垂直布放至粮堆，替代传统测温电缆，沿仓房跨度方向按间距布设光缆，直达粮堆下部区域，实现粮堆从上至下全程温度连续采集。

3.2 仓房墙体、仓顶布设

光缆沿仓房内外墙体、仓顶表面贴合敷设，固定牢靠，与结构体充分耦合，感知墙体开裂带来的应变变化。

3.3 地坪监测光缆布设

光缆铺设于地坪表层，监测地坪不均匀沉降，捕捉地坪开裂早期信号。

光缆选型要点：粮库场景必须选用特种铠装光缆，具备抗虫咬、抗压、耐腐蚀性能，适配粮食堆压环境。

4 系统功能与算法策略

4.1 粮堆热点识别算法

针对不同储粮品种设置温度阈值、温升速率双重报警逻辑，区分环境温度昼夜波动与粮堆真实积热，减少误报警，捕捉早期局部发热。

4.2 仓房形变异常判别算法

采集仓房正常状态下基线应变数据，当应变偏移基线达到阈值，判定墙体、地坪出现形变风险，输出报警位置，提示运维人员现场核查。

4.3 多源数据融合

温度、应变数据时间同步，可关联分析：仓房地坪沉降，是否同步带来局部粮温异常，辅助运维人员综合研判粮仓风险。

5 工程应用效果分析

分布式光纤监测系统应用于平房仓、浅圆仓项目可以取得良好效果：

1）储粮安全层面，实现粮堆无盲区连续温度监测，能够发现传统点式传感器容易漏掉的小范围早期积热，提前预警，有效减少粮食霉变损耗；光缆埋入粮堆，不受虫蚀潮湿影响，大幅减少更换测温电缆的人工成本。

2）仓房结构安全层面，能够持续监测墙体、地坪微形变，在肉眼可见裂缝出现之前捕捉结构隐患，变人工定期巡检为在线实时监测。

3）安全防爆层面，现场全部无源光缆，无带电部件，满足粮仓防火防爆的安全管理要求。

同时该技术也存在约束：光缆敷设施工质量直接影响信号耦合效果，粮库实施过程中，应当严格把控光缆固定、布设工艺，保证光缆和仓体、粮堆充分接触。

6 结论

传统粮仓监测手段存在监测盲区、器件易损坏、无法监测建筑结构的短板。DTS‑布里渊一体化分布式光纤监测系统，依靠光缆无源、分布式感知优势，同时实现粮堆储粮安全监测和仓房建筑结构健康监测，满足粮仓防爆安全要求，降低后期运维工作量，在智慧储备粮库新建及改造项目中，具备广阔应用推广价值。

参考文献

[1] LS/T 8001‑2014，粮油储藏 粮情测控系统[S]

核心产品主词

粮仓分布式光纤监测系统、智慧粮库光纤监测设备、粮堆DTS分布式测温系统、粮仓布里渊结构应变监测系统、储备粮库光纤粮情监测

技术原理

DTS分布式拉曼测温、布里渊分布式应变传感、分布式光纤传感、无源光纤感知、多参量一体化光纤监测

监测对象

平房仓、浅圆仓、立筒仓、中央储备粮库、地方储备库、粮堆积热、仓房墙体开裂、地坪不均匀沉降、粮仓电缆火情

性能指标

分布式连续测温、无监测盲区、粮堆热点定位、仓房微形变监测、抗虫蚀铠装光缆、粮仓防爆本征安全、温升速率报警

设备硬件

DTS+布里渊一体化解调主机、粮库专用抗虫蚀铠装复合光缆、上位机监测软件、智慧粮库平台对接模块

现场作业

粮堆内光缆布设、仓房墙体光缆敷设、粮仓地坪光缆施工、新建粮库同步预埋光缆、旧粮仓智能化改造光缆安装

工程应用场景

智慧粮库建设、中央储备粮库监测改造、平房仓粮情在线监测、筒仓仓体结构健康监测、粮食仓储安全风险预警

标书长尾关键词

储备粮仓粮堆分布式光纤测温、粮仓墙体地坪形变在线监测系统、粮库防爆型光纤粮情监测方案、智慧仓储多参量光纤感知系统